热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法

摘要

本发明涉及一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向待喷涂工件的表面且以100‑400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5‑3kW，聚焦距离为310‑350mm；（3）每道次间重叠率为45‑65%，多次沉积形成所需涂层；本发明制备涂层的方法集高性能涂层与原位激光重熔一体化工艺，拓展了涂覆层技术在再制造修复领域的应用体系；将传统的涂层加工与重熔过程合二为一，获得了致密高结合强度耐磨/抗蚀表层，提高了修复效率，缩短了检修时间窗口，极大节约了成本。

权利要求

1.一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；

（2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向所述待喷涂工件的表面且以100-400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5-3kW，聚焦距离为310-350mm；

（3）每道次间重叠率为45-65%，多次沉积形成所需涂层；

步骤（2）中激光辐照的能量大于能量密度门槛值Q，所述能量密度门槛值Q按如下公式进行计算，Q=27.5×at0.5Tm/k，式中，Tm为涂层熔点、k为热导率、t为涂层厚度、a为激光吸收系数。

2.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体，丙烷压力为0.6-0.8MPa，空气压力为0.9-1.2MPa。

3.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述热喷涂喷枪与所述激光器之间的夹角为20-30度且所述热喷涂喷枪与所述激光器分别朝向两侧倾斜，所述热喷涂喷枪与待喷涂工件的表面之间的距离为250-280mm，与水平方向呈80-85度；所述激光器与水平方向呈70-75度角倾斜。

4.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述热喷涂喷枪与所述激光器分别固定在机械臂上并随机械臂同步行走。

5.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，所述激光器的发生器与光学机构一体，激光为连续激光，波长980nm。

6.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：涂层材料包括金属合金材料和金属-陶瓷复合材料。

7.根据权利要求6所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：所述金属合金材料包括铁基合金、镍基合金和钴基合金；所述金属-陶瓷复合材料包括WC-Co系和Cr3C2-NiCr系材料。

8.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中，采用酒精或丙酮对所述待喷涂工件的表面进行清洁去污；当所述待喷涂工件的表面有锈斑时，采用酸洗或喷砂清洁。

9.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：步骤（3）中，沉积次数为10-20次。

10.根据权利要求1所述的一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于：还包括步骤（4），对步骤（3）得到的涂层对其表面进行研磨抛光或手工打磨处理。

说明书

热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及增材再制造技术领域，具体涉及一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法。

背景技术

[0002] 磨损、腐蚀、疲劳等对机械设备及国家资产造成巨大的损失。据工业发达国家的统计，每年仅因腐蚀造成的损失便占国民生产总值的2%～4%。我国设备资产几万亿元，若其中10% 能利用增材再制造技术进行修复和强化，便能创造巨大的经济效益。这些破损件几乎都发生在构件表面，与表面状态息息相关。增材再制造技术是面向破损构件的快速维修技术，通过破损位置尺寸修复和整体表面性能提升，达到构件延寿的目的。再制造工程是先进制造技术21 世纪发展的一个重要组成部分和发展方向，是一个统筹考虑产品部件全寿命周期管理的系统工程，是利用原有零件并采用再制造成形技术，使零部件恢复尺寸、形状和性能，形成再制造的产品，使产品或设备在对环境污染最小，资源利用率最高，投入费用最小的情况下重新达到最佳的性能要求。

[0003] 然而大多数再制造维修应用需求涉及到解决两个关键技术问题，即如何实现在设备运行现场实现维修以及如何在最短时间完成高质量表面层修复。例如大型水电叶轮、核电/火电汽轮机主轴难以运输；核电放射性污染构件更是存在极大的运输过程放射性屏蔽难题；水电站、海上风电、石油钻井平台位置偏僻。因此，现实需求先进的增材再制造装备，即要求紧凑便携适用于现场环境施工。

[0004] 此外，针对磨损和腐蚀产生表面缺陷以及表面疲劳裂纹，热喷涂和激光熔覆是常用的修复技术。然而，这两种技术各有优缺点。热喷涂涂层设计灵活，对基体无热影响，但涂层与基体结合强度低，存在一定的孔隙率（导致抗腐蚀性能受限），厚度在200-500 微米。激光熔覆层则可以与基体产生高强度冶金结合，覆层致密且厚度可达到毫米量级，但对基体热影响大，导致可能改变基体原始设计组织，并且由于过大的热应力而产生变形导致装配问题，甚至产生微裂纹。此外，激光熔覆由于送粉问题难以获得薄覆层，且难以处理异形表面。因此，为了获得高性能再制造表面，有必要在装备设计的基础上，采取一定复合工艺，通过热喷涂/激光熔覆复合，从而获得高性能覆层。

发明内容

[0005] 本发明基于现有技术存在的缺陷提供一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0007] （1）对待喷涂工件的表面进行清洁去污处理；

[0008] （2）将热喷涂喷枪与激光器并行排列，热喷涂喷枪与激光器朝向所述待喷涂工件的表面且以100-400mm/s的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化；激光功率为1.5-3kW，聚焦距离为310-350mm；

[0009] （3）每道次间重叠率为45-65%，多次沉积形成所需涂层。

[0010] 进一步的，热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体，丙烷压力为0.6-0.8MPa，空气压力为0.9-1.2MPa。

[0011] 进一步的，所述热喷涂喷枪与所述激光器之间的夹角为20-30度且所述热喷涂喷枪与所述激光器分别朝向两侧倾斜，所述热喷涂喷枪与所述待喷涂工件的表面之间的距离为250-280mm，与水平方向呈80-85度；所述激光器与水平方向呈70-75度角倾斜。

[0012] 进一步的，所述热喷涂喷枪与所述激光器分别固定在机械臂上并随机械臂同步行走。

[0013] 进一步的，所述激光器为半导体激光器，所述激光器的发生器与光学机构一体，激光为连续激光，波长980nm。

[0014] 进一步的，涂层材料包括金属合金材料和金属-陶瓷复合材料。

[0015] 进一步的，所述金属合金材料包括铁基合金、镍基合金和钴基合金；所述金属-陶瓷复合材料包括WC-Co系和Cr3C2-NiCr系材料。

[0016] 进一步的，步骤（1）中，采用酒精或丙酮对待喷涂工件的表面进行清洁去污；当所述待喷涂工件的表面有锈斑时，采用酸洗或喷砂清洁。

[0017] 进一步的，步骤（3）中，沉积次数为10-20次，得到的涂层厚度为200-500mm。

[0018] 进一步的，还包括步骤（4），对步骤（3）得到的涂层对其表面进行研磨抛光或手工打磨处理。

[0019] 采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0020] （1）本发明的热喷涂/激光复合增材再制造系统结构紧凑，适用于移动式箱体装备，可方便的移动至设备现场快速开展修复施工。

[0021] （2）本发明的热喷涂采用超音速火焰喷涂，利用空气作为助燃气体，减少了附加燃气，具有便携性优势。再采用激光进行原位重熔获得无缺陷冶金结合涂层。采用低功率（0-3kW）半导体激光器，激光发生器与光学调光一体设计，无需光纤导出，充分考虑了紧凑和便携的需求。

[0022] （3）本发明制备涂层的方法是一种能够解决热喷涂涂层高孔隙率及与基体低结合强度的全新工艺技术，本发明制备涂层的方法集高性能涂层与原位激光重熔一体化工艺，拓展了涂覆层技术在再制造修复领域的应用体系；将传统的涂层加工与重熔过程合二为一，获得了致密高结合强度耐磨/抗蚀表层，提高了修复效率，缩短了检修时间窗口，极大节约了成本。

附图说明

[0023] 图1是本发明热喷涂/激光熔覆复合再制造系统结构示意图；

[0024] 图2是热喷涂/激光熔覆复合再制造涂层截面金相及高倍下枝晶形貌，其中，a图虚线所示为涂层与基材冶金结合界面，b图上下虚线所示分别为涂层连续道次间界面、涂层与基材冶金结合界面；

[0025] 图3是热喷涂/激光熔覆复合再制造涂层主要合金元素成分的梯度分布以及硬度的梯度分布。

[0026] 其中，

[0027] 1、热喷涂喷枪；2、激光器；3、待喷涂工件。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

[0029] 本发明公开一种热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法，热喷涂/激光复合增材再制造系统为一种超音速火焰喷涂/激光耦合的再制造系统，该再制造系统采用紧凑式设计，尤其适合移动式箱体装备；利用该系统，采用优化的工艺参数，可实现激光原位重熔热喷涂涂层，以获得高致密度高结合强度的功能性表面。热喷涂/激光复合再制造系统的结构示意图如图1所示，图1中的箭头表示热喷涂喷枪1以及激光器2的移动方向，本发明的热喷涂/激光复合增材再制造系统制备涂层的方法包括以下步骤：

[0030] （1）对待喷涂工件3的表面进行清洁去污处理：可采用酒精或丙酮对待喷涂工件3的表面进行清洁去污；当待喷涂工件3的表面有锈斑时，采用酸洗或喷砂清洁，表面无需刻意毛化。

[0031] （2）将热喷涂喷枪1与激光器2并行排列，热喷涂喷枪1与激光器2朝向待喷涂工件3的表面且以相同的速度协同移动，喷涂形成涂层的同时对涂层进行激光辐照，通过原位重熔实现涂层加热及冷却固化。

[0032] 热喷涂喷枪1与激光器2固定在机械臂上并行排列，两者之间的角度为20-30度，随机械臂一起同步行走，移动速度100-400mm/s。热喷涂喷枪1与基材间距250-280mm，与水平方向呈80-85度；激光器2与基材间距310-350 mm，与水平方向呈70-75度。

[0033] 本发明中的热喷涂采用超音速火焰喷枪，以高压丙烷为燃气，以高压空气为助燃气体。喷涂核心工艺参数为：丙烷压力为0.6-0.8 MPa；空气压力0.9-1.2 MPa。

[0034] 本发明中的激光器2采用半导体激光器2，其发生器与光学机构一体。激光为连续激光，波长980nm，激光器2功率在0-3kW可调，以适配不同热喷涂涂层材料及涂层厚度。矩形光斑，350mm处激光光斑尺寸为4×6 mm，可根据热喷涂涂层宽度通过激光发生器与基板距离以调控光斑尺寸。激光器2采用绝热层包裹，以屏蔽热喷涂焰流热辐照及粉尘污染。

[0035] 热喷涂/激光原位重熔可获得快速凝固组织而获得无缺陷高性能涂层。热喷涂涂层原本包含2-5%的孔隙，涂层与基体为机械结合，存在明显界面。原位重熔后，获得致密无孔洞、裂纹等缺陷涂层；在激光热源辐照下，涂层与基体元素相互扩散，高强度形成冶金结合。参见附图2为本发明某一具体实施例中热喷涂/激光熔覆复合再制造涂层截面金相及高倍下枝晶形貌，其中，a图虚线所示为涂层与基材冶金结合界面，b图上下虚线所示分别为涂层连续道次间界面、涂层与基材冶金结合界面。从图2可以看出涂层无孔洞、裂纹等缺陷，与基体形成冶金结合，无明显界面。同时图2也反映出了涂层枝晶状再结晶重熔组织。参加附图3所示为横截面观察，从涂层与基体界面起，涂层主要元素的梯度变化和由此导致的硬度梯度变化。

[0036] 根据对涂层不同的服役性能需求，该发明可原位重熔制备目前商业化热喷涂涂层体系，涂层材料包括金属合金（铁基合金、镍基合金、钴基合金等）、金属-陶瓷复合材料（WC-Co系、Cr3C2-NiCr系等）等耐磨、抗蚀、耐高温等功能涂层。

[0037] 原位重熔热喷涂涂层获得无缺陷冶金结合涂层，激光辐照需超过一个能量密度门槛值Q（J/mm2），低于该值可能导致涂层出现孔洞、裂纹等缺陷。经过理论计算和实验验证，本发明提出该能量密度门槛值可主要与涂层熔点T（m K）、热导率k（W/（m·K））、涂层厚度t（mm）、激光吸收系数（a）相关，数值上存在以下关系：Q = 27.5×at0.5Tm/k。激光能量密度与激光功率p（W）、激光头速度v（mm/min），光斑宽度L（mm）存在如下关系：Q = p/(L·v)。本发明中，针对常见金属合金体系及金属-陶瓷涂层体系，按照上述关系，激光功率选择为1.5-3 kW，激光移动速度100-400 mm/min，聚焦距离310-350mm，可获得无缺陷重熔涂层。

[0038] （3）每道次间重叠率为45-65%，多次沉积形成所需涂层，无需后续热处理，可根据需求进行后续研磨抛光或手工打磨处理。

[0039] 以下为具体实施例。

[0040] 实施例1

[0041] 涂层粉末为Ni60金属粉末，主要元素质量分数为0.8%C、13.5%Cr、3.0%B、4.5%Si、4.8%Fe，余量为Fe。所采用的喷涂工艺参数为压缩空气压力0.8 MPa、丙烷压力0.6 MPa、喷涂距离280 mm；激光功率2 kW、移动速度300 mm/min；道次叠加率45%。经过15次沉积，形成涂层厚度约350mm。涂层超致密无孔洞裂纹等缺陷，与基材形成冶金结合；涂层表层硬度为
5.0 GPa。

[0042] 实施例2

[0043] 涂层粉末为钴基耐磨合金T400金属粉末，主要元素质量分数为8.5%Cr、29%Mo、2.5%Si，余量为Co。所采用的喷涂工艺参数为压缩空气压力0.9 MPa、丙烷压力0.7 MPa、喷涂距离280 mm；激光功率2 kW、移动速度200 mm/min；道次叠加率45%。经过15次沉积，形成涂层厚度约460mm。涂层超致密无孔洞裂纹等缺陷，与基材形成冶金结合；涂层表层硬度为
5.8 GPa。

[0044] 实施例3

[0045] 涂层粉末为75%Cr3C2-25%NiCr金属-陶瓷复合粉末，主要元素质量分数为10.1%C、20.3% Ni，余量为Cr。所采用的喷涂工艺参数为压缩空气压力1.0 MPa、丙烷压力0.7 MPa、喷涂距离260 mm；激光功率3 kW、移动速度100 mm/min；道次叠加率45%。经过18次沉积，形成涂层厚度约780mm。涂层超致密无孔洞裂纹等缺陷，与基材形成冶金结合；涂层表层硬度为7.2 GPa。

[0046] 实施例4

[0047] 涂层粉末为88%WC-12%Co金属-陶瓷复合粉末，主要元素质量分数为5.4%C、12.5% Co，余量为W。所采用的喷涂工艺参数为压缩空气压力1.1 MPa、丙烷压力0.8 MPa、喷涂距离260 mm；激光功率3 kW、移动速度150 mm/min；道次叠加率45%。经过18次沉积，形成涂层厚度约660mm。涂层超致密无孔洞裂纹等缺陷，与基材形成冶金结合；涂层表层硬度为11.6 GPa。

[0048] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。